Практическо-лабораторная работа № 4
Самовозгорание веществ и материалов.
Определение температуры самовоспламенения
Цель работы: экспериментальное определение йодного числа; освоение расчетных методов определения температуры самовоспламенения (самовозгорание) веществ и материалов, работа со справочной литературой.
Общие положения:
Самовозгоранием называют резкое увеличение скорости экзотермических реакций, вызывающих самонагревание веществ, приводящее к возникновению горения при отсутствии источника зажигания.
Тепловым называется самовозгорание, вызванное самонагреванием, возникшим под воздействием внешнего нагрева вещества выше температуры самонагревания. К тепловому самовозгоранию имеют склонность многие вещества и материалы, к которым можно отнести масла и жиры, каменные угли и т.д.
Самовозгорание масел и жиров часто является причиной пожаров. Существует три вида масел: минеральные, растительные и животные.
Минеральные масла, содержащие предельные углеводороды, к самовозгоранию не способны. Отработанные минеральные масла могут содержать непредельные углеводороды, способные к самовозгоранию.
Растительные (льняное, конопляное, хлопковое и др.) и животные (сливочное) масла по своему составу отличны от минеральных. Они представляют собой смесь глицеридов жирных кислот: пальмитиновой С15Н31СООН, стеариновой С17Н35СООН, олеиновой С17Н33СООН, линолевой С17Н31СООН, линоленовой С17Н29СООН и др. Пальмитиновая и стеариновая кислоты являются предельными, олеиновая, линолевая и линоленовая – непредельными. Глицериды предельных кислот, а следовательно, и масла, содержащие их в большом количестве, окисляются при температурах выше 150оС и не способны самовозгораться. Масла, содержащие большое количество глицеридов непредельных кислот, способны к самовозгоранию.
О количестве глицеридов непредельных кислот в масле и жире судят по йодному числу масла, т.е. по количеству граммов йода, поглощенному 100 г масла. Чем выше йодное число масла, тем в большей степени оно способно к самовозгоранию (льняное масло имеет йодное число в пределах 192-197, конопляное - 145-167, касторовое - 82-86). Если йодное число масел меньше 50, их самовозгорание невозможно.
Задание 1: Определение йодного числа с бромистым йодом (по Ганусу).
Бромистый йод образуется при взаимодействии йода с бромом в углекислой среде.
Бромистый йод количественно присоединяется к непредельным жирным кислотам по месту двойных связей. Избыток бромистого йода, не вошедший в реакцию, реагирует с йодистым калием по уравнению BrI + KI = KBr + I2.
Выделившийся йод оттитровывают тиосульфатом
I2 + Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6
Ход работы: В сухую коническую колбу или склянку с притертой пробкой емкостью 250-300 мл отвешивают на аналитических весах 0,2-0,3 г масла и растворяют его в 10 мл хлороформа. В другую такую же колбу или склянку вносят 10 мл хлороформа без масла («слепой опыт»). В обе колбы из бюретки (со стеклянным краном) добавляют по 25 мл реактива Гануса. Сосуды плотно закрывают пробками, смоченными в растворе йодистого калия. Содержимое сосудов осторожно взбалтывают, после чего сосуды ставят в темное место на 1-1,5 часа. По истечении указанного времени в оба сосуда добавляют по 10 мл 20%-ного раствора йодистого калия и 50 мл воды и выделившийся йод оттитровывают 0,1 н раствором тиосульфата натрия до слабо-желтой окраски, потом добавляют 10-12 капель раствора крахмала и продолжают титрование до полного обесцвечивания раствора.
При расчетах принимают во внимание, что 1 мл 0,1 н раствора тиосульфата натрия соответствует 1 мл 0,1 н раствора йода. Йодное число и.ч. вычисляют по формуле
,
где с – количество 0,1 н раствора тиосульфата, израсходованное на титрование контрольной пробы («слепой опыт»), мл; о – количество 0,1 н раствора тиосульфата, израсходованное при титровании опытного образца, мл; к – поправочный коэффициент к титру, приблизительно 0,1 н раствора тиосульфата; 0,01269 – титр раствора тиосульфата по йоду; н – навеска масла, г.
Задание 2: Определение перекисного числа.
Количественное определение перекисей в растительном масле основано на реакции выделения йода перекисями из йодистого калия в кислой среде.
Йод открывают раствором тиосульфата.
Ход работы: В конической колбе или склянке с притертой пробкой емкостью 200 мл отвешивают ( на аналитических весах) около 2 г масла. Навеску растворяют в 20 мл смеси ледяной уксусной кислоты и хлороформа (2:1 по объему), прибавляют 5 мл насыщенного раствора йодистого калия, сосуд укупоривают пробкой и ставят в темное место на 10 мин., после чего доливают 50 мл дистиллированной воды и оттитровывают выделившийся йод 0,002 н раствором тиосульфата (индикатор – крахмал). Одновременно проводят также контрольное определение (без масла).
Перекисное число п.ч. (количество граммов йода, выделенное перекисями, содержащимися в 100 г масла) рассчитывают по формуле
,
где с – количество 0,002 н раствора тиосульфата, израсходованное при контрольном определении, мл; о – количество 0,002 н раствора тиосульфата, израсходованное при титровании опытного образца, мл; к – поправочный коэффициент раствора тиосульфата; 0,0002538 – титр 0,001 н раствора тиосульфата по йоду ( 1 мл раствора соответствует 0,0002538 г йода); н – навеска масла, г.
Задание 3: Определить расчетным путем йодное число триглицерида линолевой кислоты. Сделать вывод о способности к самовозгоранию.
Задание 4: Определить йодное число триглицерида линоленовой кислоты. Сделать вывод о способности к самовозгоранию.
Задание 5: Рассчитать йодное число касторового масла имеющего следующий состав:
Трипальмеат – 3% Тристеарат – 4% Триомат – 5% Тримномат – 6% Тририцилат – 82% | Триглицераты кислот: пальмитиновой, стеариновой, олеиновой, линолевой, линоленовой |
Для справки:
Пальмитиновая кислота С15Н31СООН
Стеариновая кислота С17Н35СООН
Линолевая кислота С17Н31СООН
Линоленовая кислота С17Н29СООН
Рицинолевая кислота С17Н31СООН
Задание 6: Определение температуры самовоспламенения
1. Определить объем воздуха, необходимого для 5 м3 смеси газов, состоящих из 20% СН4; 40% С2Н2; 10% СО; 5% N2 и 25% О2, если коэффициент избытка воздуха равен 1,8.
2. Рассчитать температуру самовоспламенения 2,2-диметилгексана.
3. Рассчитать температуру самовоспламенения изопропилового спирта.
4. Рассчитать температуру самовоспламенения 1 метил-4-этилбензола.
5. Рассчитать температуру самовоспламенения органического вещества 2,2 диметил-бутанола.
6. Рассчитать температуру самовоспламенения 1,4 диизопропил бензола.
7. Рассчитать температуру самовоспламенения 4 – бутанола, вторичного бутилового спирта и третичного бутилового спирта. Сделать вывод о влиянии разветвления углеродной цепи на температуру воспламенения.
8. Определить температуру воспламенения этана, бутана, гексана, декана. Построить график зависимости Тсв от положения веществ в гомологическом ряду.
9. Определить Тсв толуола, 1,4-ди изопропилбензола и сделать вывод о влиянии боковой цепи на сравнительную пожарную опасность ароматических соединений.
10. Определить Тсв октана, октанола – 1 и этилбензола. Сделать вывод о влиянии строения вещества на их сравнительную пожарную опасность.
Практическая работа № 5
Определение нижнего и верхнего концентрационного пределов воспламенения
Цель работы: ознакомиться с методами расчета нижнего концентрационного предела воспламенения (НКПВ) и верхнего концентрационного предела воспламенения (ВКПВ) горючих веществ.
Общие положения:
1. Для индивидуальных горючих веществ расчет производится по формуле:
где - концентрационные пределы (нижний (н) или верхний (в)) в объемных процентах;
Возможно применять для обозначения концентрационных пределов Сн(в) в г/м3.
– число атомов кислорода, необходимых для полного сгорания горючего (стеохимический коэффициент при кислороде в уравнении реакции)
и
– эмпирические константы, приведенные в таблице:
Параметры | Константы | |
![]() | ![]() | |
Нижний предел Сн | 4,342 | 4,679 |
Верхний предел Св при n ≤ 15 при n > 15 | 0,775 0,384 | 0,560 6,554 |
2. Для расчета КПВ смеси горючих веществ используют формулу Ле Шателье:
,
, ….,
– концентрация горючих компонентов, % об.
,
,….,
– соответствующее КПВ компонентов смеси, % об.
3. НКПВ возможно определять по предельной теплоте сгорания. Экспериментально установлено, что 1 м3 большинства газовоздушных смесей на НКПВ выделяет постоянное среднее количество теплот ≈ 1830 кДж (предельная теплота горения). Тогда:
где – низшая теплота горения горючего вещества, кДж/м3 (табл).
Задачи:
1. Вычислить НКПВ метана; этана; бутана. Сравнить их пожаровзрывоопасность.
2. Вычислить НКПВ смеси пропана и бутана, если пропана 80% об, бутана 20% об.
3. По предельной теплоте горения рассчитать НКПВ бутана в воздухе.
4. Определить НКПВ и ВКПВ этана, бутана, гексана. Сравнить их пожаровзрывоопасность.
5. Вычислить НКПВ и ВКПВ метана, этилена, ацитилена.
6. Определить НКПВ и ВКПВ уксусной кислоты и уксусного альдегида и проанализировать возможности образования взрывоопасных концентраций.
7. Определить КПВ газовой смеси, состоящей из 50% бутана, 10% пропилена и 40% этилена.
8. Вычислить НКПВ смеси этана и пропана, если этана 78%, а пропана 22%.
9. Вычислить НКПВ смеси пропана и бутана, если пропана 90%, бутана – 10%.
10. По предельной теплоте сгорания (Qпр) определить, как изменится НКПВ от положения предельных углеводородов (этан, пропан, бутан, гептан, гексан) в гомологическом ряду. Построить график зависимости НКПВ от молярной массы горючего.
11. Рассчитать КПВ парогазовой смеси, состоящей из 20% этана, 60% этилена, 20% паров этилового спирта.
Примечание:
Возможно сравнение результатов с табличными данными и определение ошибки приближенных расчетов.
Практическая работа № 6
Основные стехиометрические расчеты
Цель работы: ознакомиться с методами расчета стехиометрических показателей.
Стехиометрическая концентрация – это мольная доля (% об)
Задача 1. Определить стехиометрическую концентрацию паров этилового спирта в воздухе при t=200С и р=760 мм рт.ст.
1. Уравнение реакции горения этилового спирта в воздухе
С2Н5ОН+3О2+3∙3,76N2=2СО2+3Н2О+3∙3,76N2
2. Находим мольную долю горючего (С2Н5ОН) в газовоздушной смеси
или , % об; где
- коэффициент при кислороде.
, % об.
3. Если стехиометрическая концентрация рассчитывается в кислороде то
4. Моль С2Н5ОН=46 г/моль = 46 кг/кмоль.
5. Кмоль газа при н.у. = 22,4 м3, приводим к заданным условиям:
Для горючих веществ, состоящих из атомов С Н О N S Si P F Cl Br J, стехиометрическая концентрация в процентах объемных определяется по формуле:
где
где mc,s,si,p,н,o – число атомов углерода, серы, кремния, фосфора, водорода и кислорода в молекуле горючего; mx – суммарное число атомов F, Cl, Br, J в молекуле горючего.
Задачи:
1. Рассчитать стехиометрическую концентрацию паров этилового спирта с воздухом в объемных процентах.
2. Рассчитать стехиометрическую концентрацию н-бутанола в объемных процентах.
3. Сколько диэтилового эфира должно испариться в помещении объемом 200 м3, чтобы образовалась стехиометрическая концентрация при t – 100С и давлении 750 мм рт.ст.
4. Рассчитать, при какой концентрации температура самовоспламенения ацетилена в воздухе будет самой низкой.
5. Рассчитать стехиометрическую концентрацию паров пентана в воздухе при t – 180С и давлении 750 мм рт.ст.
6. Рассчитать стехиометрическую концентрацию бутана с воздухом в г/м3, t = 300С, р = 97 кПа.
7. Сколько карбида кальция должно прореагировать с водой, чтобы в помещении объемом 480 м3 образовалась стехиометрическая концентрация ацетилена в воздухе (н.у.)?
Практическая работа № 7
Оболочки Земли. Атмосфера
Цель работы: изучение физических и химических процессов, происходящих в атмосфере, и их влияние на жизнь на Земле.
Атмосфера - это относительно тонкий слой газа (воздуха), простирающийся до высоты примерно 100 км над поверхностью Земли. Если Землю представить себе в виде воздушного шарика, то его резиновая оболочка как раз и будет соответствовать по толщине земной атмосфере. Этот тонкий слой, однако, оказывает огромное влияние на состояние Земли.
Две наиболее химически важные области атмосферы – это тропосфера и стратосфера. Обратите внимание, как меняется с высотой температура (рис. 2.). При подъеме вверх плотность атмосферного воздуха уменьшается. Примерно 90% всех молекул, составляющих земную атмосферу, приходится на тропосферу. В тропосфере хорошо происходит перемешивание газов, так как в результате конвекции теплый газ из нижних слоев атмосферы поднимается вверх, а более холодный опускается. В стратосфере отрицательный градиент температур препятствует вертикальному перемешиванию, однако горизонтальное перемешивание происходит очень интенсивно, особенно при широтной циркуляции.
В таблице 1 приведены типичные данные по составу воздуха тропосферы.
Объемная концентрация некоторых из указанных веществ дана в частях на миллион (миллионных долях, млн.-1). Эта единица часто применяется при измерении низких концентраций; концентрация в 353 млн.-1 соответствует 0,0353%.
Таблица 1
Состав воздуха (сухого) в тропосфере над незагрязненной территорией
Газ | Концентрация, % (об.) для первых трех газов или млн.-1 (об.) для остальных |
Азот Кислород Аргон Диоксид углерода Неон Гелий Метан Криптон Водород Гемиоксид, N2O Окисд углерода Ксенон Оксид и диоксид азота ![]() | 0,0353% 18,0 5,0 1,7а 1,1 0,5 0,3а 0,1а 0,09 0,003а |
Атмосфера не всегда имела такой состав. Первичная атмосфера была утрачена Землей на ранних стадиях развития Солнечной системы. Возникшая затем новая атмосфера представляла собой смесь диоксида углерода, метана и аммиака, которые поступали из недр Земли.
Три миллиарда лет тому назад в атмосфере было очень мало кислорода. Появившиеся на Земле первые растения стали производить кислород в процессе фотосинтеза, однако, за период примерно в миллиард лет только малая часть этого кислорода оказалась в атмосфере. Почти весь кислород также быстро, как образовывался, расходовался на окисление соединений серы, железа и других веществ в земной коре. Только когда этот процесс в основном завершился, кислород стал накапливаться в атмосфере.
Когда концентрация кислорода достигла примерно 10%, этого оказалось достаточно для появления первых животных, потреблявших кислород при дыхании. В конце концов, поступление в атмосферу свободного кислорода в результате фотосинтеза и связывание его и в других процессах уравновесили друг друга. С этого времени концентрация кислорода в атмосфере оставалась примерно на уровне 21%.
Обратитесь вновь к данным таблицы 1. Все указанные там газы попали в атмосферу в результате природных процессов. Деятельность человека влияет на состав атмосферного воздуха. Некоторые из газов, например, диоксид углерода, существовали в атмосфере и раньше; мы только увеличиваем их концентрацию. Другие, подобно хлорфторуглеродам (ХФУ), оказались в атмосфере исключительно в результате человеческой деятельности.
Но газы, помещенные в один сосуд, всегда полностью перемешиваются вследствие диффузии. В атмосфере этот самопроизвольный процесс сильно ускоряется воздушными потоками, так что со временем примесные газы распространяются по всей атмосфере. Загрязнение атмосферы – это глобальная проблема, которая касается нас всех. С этих позиций остановимся на двух процессах: разрушение озонового слоя и глобальное потепление вследствие парникового эффекта.
Задание 1.
Используйте данные таблицы 1 и ответьте на следующие вопросы:
1. Сколько аргона (в млн.-1 об.) в обычном образце тропосферного воздуха?
2. а) Каков объем метана, содержащегося в 1л тропосферного воздуха?
б) Рассчитайте процентное содержание молекул метана в этом же образце.
3. Для каждого из газов в табл. 1, содержание которых в атмосфере может изменяться, приведите один пример антропогенного воздействия, приводящего к росту концентрации данного газа?
4. Составьте секторную диаграмму по первым трем заданиям.